Numerical representation of a pin-on-disc tribometer for the investigation of textured surfaces

Die wachsende Nachfrage nach höherer Leistung und geringerer Umweltbelastung durch tribologische Geräte hat zur Entwicklung strukturierter Oberflächen geführt, die Reibungsverluste und Verschleißphänomene reduzieren können. Ein großer Teil der tribologischen Forschung an solchen Oberflächen beruht auf experimentellen Untersuchungen, die auf Pin-on-Disc-Tribometern basieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die numerische Darstellung dieser Experimente und die Untersuchung des Einflusses von Texturen im hydrodynamischen Bereich. Bei der ersten Analyse des Pin-on-Disc-Tribometers wird besonders auf die hochauflösende Darstellung der makroskopischen Geometrie des Kontaktes geachtet. In dieser Hinsicht wird der Einfluss des Geschwindigkeitsgradienten in der Rotationsebene untersucht und mit experimentellen Studien verglichen. Die Rolle von Trägheitseffekten wird anhand der Navier-Stokes-Gleichungen analysiert und die Gültigkeit der Reynolds-Gleichung für 3D-Dimples überprüft. Die Auswirkungen der viskosen Dissipation werden ebenfalls berücksichtigt, um deren Einfluss auf die Druckverluste im Kontaktbereich zu bestimmen, die mit dem Quadrat der Sommerfeldzahl skalieren. Schließlich wird mittels einer umfangreichen Parameterstudie der Einfluss von Betriebsbedingungen auf die optimalen Formparameter einer durch Dimples strukturierten Oberfläche untersucht. Als Resultat dieser Untersuchung folgt, dass die Tiefe der Dimples einen höheren Einfluss auf die gesamte Kontaktleistung hat als der Durchmesser. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Tiefe der Dimples, die dem minimalen Reibungskoeffizienten entspricht, mit der Quadratwurzel der Sommerfeldzahl skaliert und damit in Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen am gleichen Tribometer steht

Numerical representation of a pin-on-disc tribometer for the investigation of textured surfaces

Die wachsende Nachfrage nach höherer Leistung und geringerer Umweltbelastung durch tribologische Geräte hat zur Entwicklung strukturierter Oberflächen geführt, die Reibungsverluste und Verschleißphänomene reduzieren können. Ein großer Teil der tribologischen Forschung an solchen Oberflächen beruht auf experimentellen Untersuchungen, die auf Pin-on-Disc-Tribometern basieren. Ziel der Arbeit ist, die numerische Darstellung dieser Experimente und die Untersuchung des Einflusses von Texturen

Height-Averaged Navier–Stokes Solver for Hydrodynamic Lubrication

Modelling hydrodynamic lubrication is crucial in the design of engineering components as well as for a fundamental understanding of friction mechanisms. The cornerstone of thin-film flow modelling is the Reynolds equation -- a lower-dimensional representation of the Stokes equation. However, the derivation of the Reynolds equation is based on assumptions and fixed form constitutive relations, that may not generally be valid, especially when studying systems under extreme conditions. Furthermore, these explicit assumptions about the constitutive behaviour of the fluid prohibit applications in a multiscale scenario based on measured or atomistically simulated data. Here, we present a method that considers the full compressible Navier-Stokes equation in a height-averaged sense for arbitrary constitutive relations. We perform numerical tests by using a reformulation of the viscous stress tensor for laminar flow to validate the presented method comparing to results from conventional Reynolds solutions. The versatility of the method is shown by incorporating models for mass-conserving cavitation, wall slip and non-Newtonian fluids. This allows testing of new constitutive relations that not necessarily need to take a fixed form, and may be obtained from experimental or simulation data.Comment: 12 pages, 9 figure

Multiscale simulation approach to predict the penetration depth of oil between chip and tool during orthogonal cutting of AISI 4140

Cooling lubricants in machining perform important tasks, from cooling and lubrication of the friction partners in contact to the removal of the separated chips. An essential, determining and largely unresolved question in relation to cooling lubricants in ma-chining is to what extent the coolant can get into the cutting zone. The aim of this paper is to address this question by using a multiscale approach to determine the penetration of the cooling lubricant gap. This is achieved by multiscale simulations by means of coupling the results of flow, structural and continuum mechanical simulations. Comparatively, the results of the simulated machining operation are compared with experimental orthogonal cutting tests of AISI 4140